科创中国

本发明提供一种考虑速度传感器失效的无人潜航器轨迹跟踪控制方法，包括：建立航行数学模型，设定期望轨迹数学模型；设计基于位置信号的速度观测器，在此基础上设计纵向力矩和横向力矩干扰观测器；设计纵向速度和横向速度的虚拟控制律，导入指令滤波器对虚拟控制律的幅值及速度进行约束，并解决对虚拟控制律高阶求导产生计算复杂度增加问题；基于虚拟控制律及指令滤波器的输出设计轨迹跟踪滑模控制器，同时基于干扰观测器的估计值对纵向力矩和横向力矩的扰动进行补偿；本发明的技术方案解决了现有技术方案中未考虑无人潜航器在经过水下作业后速度传感器性能失效，控制器力矩输出超过无人潜航器推进器最大输出而导致控制器跟踪失效的问题。

为解决现有技术中在无人潜航器布放回收过程中的轨迹跟踪控制存在的问题，本发明考虑了无人潜航器在无法测量速度向量的情况下的轨迹跟踪问题，同时考虑了系统内外部及未建模部分产生的干扰，为防止控制器的期望输出超出无人潜航器驱动器推力上限，通过对虚拟控制律的约束限制了控制器的输出，并提供相应的控制方法。为实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：考虑速度传感器失效的无人潜航器轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立无人潜航器水面航行数学模型，设定期望轨迹数学模型。S2、设计基于位置信号的速度向量观测器，在此基础上设计纵向力矩和横向力矩方向上的干扰观测器，并通过Lyapunov定理验证其有效性。S3、基于实时位置误差，设计纵向速度和横向速度的虚拟控制律，在虚拟控制律的基础上导入指令滤波器对虚拟控制律的幅值及速度进行约束，并解决求取实际控制律时需要对虚拟控制律进行高阶求导产生计算复杂度增加的问题，并通过Lyapunov定理验证其有效性。S4、基于虚拟控制律及指令滤波器的输出值设计无人潜航器轨迹

近年来，欠驱动无人潜行器的运动控制已成为海洋工程的研究热点，无人潜航器在海洋学观测、海底资源勘探、水文测量和制图、海底救援等方面发挥着重要作用，具有广阔的应用前景。随着自动化程度的提高，在不依靠人工的情况下利用无人艇对无人潜航器进行布放及回收已经成为了新的研究热点。为了完成对无人潜航器的自动布放及回收，无人潜航器必须实现轨迹跟踪，尤其是高精度的水面轨迹跟踪。因此，对于无人潜航器布放回收过程中的轨迹跟踪的研究就变得愈发重要。但是，目前对于无人潜器在水面进行轨迹跟踪的研究相对缺乏，在现有技术中，对于自动布放回收过程中的无人潜航器的轨迹跟踪存在着无法精确估计航行过程中风、浪、流产生的影响或系统以外未建模部分产生的干扰，并未对干扰进行补偿、未考虑当无人潜航器完成水下作业后其速度传感器精度会受到极大影响甚至失效、没有根据无人潜航器自身的动力学性能对控制器的期望输出进行限制等缺点。特别是在海面风浪干扰复杂不确定的环境下这些缺点暴露得更加明显

此技术为哈尔滨理工大学栾添添研发，承担本专科及研究生层次普通高等学历教育工作承担科学技术研究工作

与现有技术相比，此技术产生的效益如下：1、本发明充分考虑了无人潜航器在执行完毕水下任务后回收过程中，速度传感器可能受到压强及潮湿环境影响导致观测精度降低，导致控制律控制精度降低甚至失效的问题，专门设计了基于位置向量的速度观测器。保证控制效果不受压强及潮湿环境的影响。

2、充分考虑了系统内外部扰动及系统未建模部分扰动对无人潜航器布放回收过程的影响，基于速度观测器模型，设计了纵向力矩及横向力矩的扰动观测器，并在实际控制中基于扰动观测器的观测值对控制律进行补偿。

3、考虑到无人潜航器的驱动器性能，利用指令滤波器对控制律的期望输出进行限制，与现有技术相比，本发明所设计控制律在跟踪上期望轨迹所用的的时间更长，但优点在于避免了因为输出力矩超过驱动器的最大输出性能导致控制律失效。

技术转让，许可，合作所需资金需双方协商，此项技术想尽快落地保定，希望具备此项技术研发的技术方，能够尽快承接此项目。